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Rilevate nuove fasi dell’acqua

Scienziati dell’Università di Cambridge hanno scoperto che l’acqua non agisce né come un liquido né come un solido in uno strato di una molecola e che ad alte pressioni diventa molto conduttiva.

Si sa molto su come si comporta “l’acqua sfusa”: si espande quando gela e ha un alto punto di ebollizione. Ma quando l’acqua viene compressa su scala nanometrica, le sue proprietà cambiano drasticamente.

Sviluppando un nuovo metodo per prevedere questo comportamento insolito con una precisione senza precedenti, i ricercatori hanno scoperto diverse nuove fasi dell’acqua a livello molecolare.

L’acqua intrappolata tra le membrane o in minuscole cavità su scala nanometrica è diffusa: può essere trovata in qualsiasi cosa, dalle membrane dei nostri corpi alle formazioni geologiche. Ma quest’acqua nano-confinata si comporta in modo molto diverso dall’acqua che beviamo.

Finora, le sfide della caratterizzazione sperimentale delle fasi dell’acqua su scala nanometrica hanno impedito una piena comprensione del suo comportamento. Ma in un articolo pubblicato sulla rivista Naturail team guidato da Cambridge descrive come hanno utilizzato i progressi negli approcci computazionali per prevedere il diagramma di fase di uno strato d’acqua spesso una molecola con una precisione senza precedenti.

Hanno utilizzato una combinazione di approcci computazionali per consentire lo studio di un singolo strato d’acqua al livello dei primi principi.

I ricercatori hanno scoperto che l’acqua intrappolata in uno strato spesso una molecola attraversa diverse fasi, tra cui una fase “esatica” e una fase “superionica”. Nella fase esatica, l’acqua non agisce né come un solido né come un liquido, ma come una via di mezzo. Nella fase superionica, che si verifica a pressioni più elevate, l’acqua diventa altamente conduttiva e spinge rapidamente i protoni attraverso il ghiaccio, in modo simile al flusso di elettroni in un conduttore.

Comprendere il comportamento dell’acqua su scala nanometrica è fondamentale per molte tecnologie emergenti. Il successo dei trattamenti medici può dipendere da come reagisce l’acqua intrappolata nelle piccole cavità del nostro corpo. Lo sviluppo di elettroliti altamente conduttivi per le batterie, la desalinizzazione dell’acqua e il trasporto regolare dei liquidi dipendono tutti da come si comporterà l’acqua confinata.

“Per tutte queste aree, comprendere il comportamento dell’acqua è la domanda fondamentale”, ha affermato il dott. Venkat Kapil del Dipartimento di Chimica Yusuf Hamied di Cambridge, il primo autore dell’articolo. “Il nostro approccio consente lo studio di un singolo strato d’acqua in un canale simile a un grafico con un’accuratezza di previsione senza precedenti”.

I ricercatori hanno scoperto che lo strato d’acqua spesso una molecola all’interno del nanochannel mostrava un comportamento di fase ricco e diversificato. Il loro approccio prevede più fasi tra cui la fase esatica – una intermedia tra un solido e un liquido – e anche una fase superionica in cui l’acqua ha un’elevata conduttività elettrica.

“La fase esatica non è né un solido né un liquido, ma un intermedio, coerente con le precedenti teorie sui materiali bidimensionali”, ha detto Kapil. “Il nostro approccio suggerisce anche che questa fase può essere osservata sperimentalmente confinando l’acqua in un canale di grafene.

“L’esistenza della fase superionica in condizioni facilmente accessibili è peculiare, poiché questa fase si trova generalmente in condizioni estreme come i nuclei di Urano e Nettuno. Un modo per visualizzare questa fase è che gli atomi di ossigeno formano un reticolo fisso e i protoni fluiscono attraverso il reticolo come un liquido, come i bambini che corrono in un labirinto.

I ricercatori affermano che questa fase superionica potrebbe essere importante per i futuri materiali di elettroliti e batterie perché ha una conduttività elettrica da 100 a 1.000 volte superiore rispetto ai materiali delle batterie attuali.

I risultati non solo aiuteranno a capire come funziona l’acqua su scala nanometrica, ma suggeriranno anche che la “nano-incapsulazione” potrebbe essere un nuovo modo per trovare il comportamento superionico di altri materiali.

dott Venkat Kapil è Junior Research Fellow al Churchill College di Cambridge. Il gruppo di ricerca comprendeva il dott. Christoph Schran e il professor Angelos Michaelides del gruppo ICE del dipartimento di chimica di Yusuf Hamied, a cui si uniscono il professor Chris Pickard del dipartimento di scienza dei materiali e metallurgia, il dott. Andrea Zen dell’Università degli Studi di Napoli Federico II e il Dott. Ji Chen dell’Università di Pechino.

Relazione:
Angelos Michaelides et al. ‘Il diagramma di fase del principio di base dell’acqua monostrato nanoconfinata.’ Natura (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x

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